陽光小區(qū)住宅樓樁基質(zhì)量問題與加固設計研究

肖俊華，孫劍平（1.山東建筑大學土木工程學院，山東濟南，250101；2.山東建大工程鑒定加固研究所，山東濟南，250013）

陽光小區(qū)住宅樓樁基質(zhì)量問題與加固設計研究

肖俊華1，2，孫劍平1，2
（1.山東建筑大學土木工程學院，山東濟南，250101；2.山東建大工程鑒定加固研究所，山東濟南，250013）

沉管灌注樁的質(zhì)量問題的分析與研究是地基加固設計的前提，加固設計方案優(yōu)化可節(jié)省工程造價。文章針對陽光小區(qū)11層高層住宅樓的沉管灌注承載力未達設計要求的質(zhì)量問題，從工程地質(zhì)條件、樁型傳力機理、現(xiàn)場施工工藝等方面分析了樁基承載力偏低的原因；利用復合減沉疏樁基礎的概念進行加固設計優(yōu)化，并采用Pile軟件對樁基沉降進行了分析計算。結果表明:陽光小區(qū)住宅樓場地樁長范圍內(nèi)存在可塑—軟塑黏土層，選定樁型傳力機理不清，當?shù)厥┕つ芰﹄y以達到設計要求是沉管灌注承載力未達標的主要原因；加固方案若不考慮樁間土的分擔作用，基樁發(fā)揮極限承載力的65%即可承擔上部荷載；當考慮樁間土承擔10%的上部荷載時，基樁發(fā)揮極限承載力的58.6%，預計工程最終沉降在15 mm以內(nèi)；從承載力和沉降控制兩個方面考慮，加固后樁基工程有足夠的安全度。

質(zhì)量問題；加固設計；沉管灌注樁；樁基承載力；復合減沉疏樁

0　引言

沉管灌注樁是20世紀70年代發(fā)展起來的一種樁型，因其施工方便、成本較低被大量應用于多層住宅中。后來，為提高單樁承載力，發(fā)展了帶擴大頭的沉管夯擴樁，并且已列入樁基規(guī)范。然而，沉管灌注樁的工程質(zhì)量問題也較多［1-2］，通常是通過補樁即補足承載力的方式加以解決。然而，有時因為補樁過密施工困難或造價方面的考慮，則利用減沉疏樁基礎的概念進行補樁［3-4］，并從承載力和沉降兩個方面考察是否滿足工程要求［5-6］。文章通過某一工程實例，分析沉管灌注樁質(zhì)量問題原因，并利用復合減沉疏樁基礎的概念進行補樁，從而優(yōu)化地基加固方案并節(jié)省工程造價。

1　工程概況與地質(zhì)條件

黃河沖積平原地區(qū)陽光小區(qū)高層住宅，地下一層，地上十一層，上部結構為剪力墻結構，采用帶擴大頭的沉管灌注樁基礎。樁頂設650 mm×800 mm承臺梁，梁底設300 mm厚的防水底板，防水底板底標高與承臺梁底標高相同，埋深約為3.0 m。

原設計采用混凝土沉管擴底灌注樁，混凝土為C35商用混凝土，有效樁長20 m，樁端位于第⑨層粉質(zhì)粘土層。樁身直徑0.5 m，擴大頭直徑1.0 m采用二次擴底，擴底參數(shù)，要求單樁豎向承載力的特征值為1000 kN。該工程設計采用129根沉管灌注樁。

場地所處地貌單元為黃河沖積平原，沉積物為第四系粉土、粉質(zhì)黏土及黏土。地下水為第四系孔隙潛水，水位多年變幅2.5 m左右。勘察期間自鉆孔內(nèi)測得場地地下水穩(wěn)定水位埋深為1.30～3.20 m。場區(qū)地層物理力學參數(shù)見表1。

表1　地層物理力學參數(shù)表

2　樁基質(zhì)量問題及原因分析

2.1樁基靜載荷試驗結果

全部樁基工程完工后，進行驗證性單樁豎向抗壓靜載試驗，試驗采用慢速荷載維持法。三根試樁的試驗曲線如圖1所示，單樁極限承載力值分別為1200、1000和800 kN。顯然，單樁豎向承載力值數(shù)據(jù)較為離散，極差大于30%，且其統(tǒng)計值小于設計承載力值。

另外，對樁基進行全面低應變檢測，所測129根樁中，共有Ⅰ類樁39根，占總樁數(shù)30.23%；共有Ⅱ類樁72根，占總樁數(shù)55.81%；共有Ⅲ類樁13根占總樁數(shù)10.08%；共有Ⅳ類樁5根，占總樁數(shù)3.88%。

圖1　單樁靜載荷試驗曲線圖

2.2樁基設計分析

為分析設計樁型的傳力機理，有必要簡述一下沉管樁的歷史。普通沉管樁產(chǎn)生之初，采用錘擊、振動或靜壓方式成孔，邊拔管邊灌注混凝土成樁，多用于多層住宅。當使用不當時，常出現(xiàn)縮頸、夾泥和吊腳等質(zhì)量問題［1-2］。

20世紀70年代末，受國外Franki樁的啟發(fā)，夯擴樁首先在杭州進行試驗，而在1997年武漢市制定了WBJ 8—1997《夯擴樁設計施工技術規(guī)定》［7］。夯擴樁是在原錘擊沉管灌注樁機械設備與施工方法的基礎上增加1根內(nèi)夯管，采用一次或多次夯擴方式將樁端做成擴大頭，樁身混凝土在樁錘和內(nèi)夯管的自重作用下壓密成型［8］。夯擴樁成樁深度一般不宜大于15 m。良好的封底措施、嚴格的施工工藝控制是保證夯擴樁成功的關鍵，其承載力值應通過現(xiàn)場試驗確定。夯擴樁施工中常遇問題:管內(nèi)進水止淤失效、鋼筋籠下沉或上浮、樁身縮頸、斷樁、夯擴困難及樁頂混凝土松散等。

針對夯擴樁存在的問題，北京率先發(fā)展了一種新的樁型即復合載體樁，并先后形成JGJ/T 135—2001《復合載體夯擴樁設計規(guī)程》［9］和JGJ 135—2007《載體樁設計規(guī)程》［10］。復合載體夯擴樁采用細長錘夯擊成孔，將護筒沉到設計標高后，細長錘擊出護筒底一定深度，分批向孔內(nèi)投入填充料和干硬性混凝土，用細長錘反復夯實、擠密，在樁端形成復合載體，然后放置鋼筋籠，灌注樁身混凝土而形成的樁。一般樁長小于10 m。與其他樁最大的不同是樁身相當于傳力桿，樁端擴大頭及其周圍的擠密土體作為復合載體承受上面?zhèn)鱽淼牧Α?/p>

該工程選擇帶擴大頭的混凝土沉管灌注樁，從其設計受力機理上分析，屬于樁身和樁端擴大頭同時提供抗力的夯擴樁。

在初步設計時設計人員根據(jù)勘察報告提供的側阻和端阻值利用經(jīng)驗公式計算出極限標準值，并由此確定單樁豎向承載力的特征值。從計算結果看端阻占到總承載力的50%。若使該樁達到設計承載力值，即需要有良好的樁身質(zhì)量提供側摩擦力和使樁身軸力向下傳遞，又需要良好的夯擴頭對樁端土擠密的同時提供約一半的抗力。

設計有效樁長20 m，當屬夯擴樁的極限長度且需要穿過③層及⑤層可塑～軟塑粘土層，易縮頸該樁型設計對施工設備及施工技術要求高。

2.3樁基施工分析

該樁基施工時，未先試樁而是直接大面積施工工程樁。

由于當?shù)厝狈ο鄳氖┕ぴO備，采用靜壓沉管方法施工，全程采用商品混凝土，和易及流動性好但與該樁型要求的樁端采用干硬性混凝土性質(zhì)相差甚遠；施工過程中樁端無任何封水封泥的措施，該工法不可能形成夯擴頭。從后期樁側鉆孔取樣來看樁端附近取到的僅是含泥的混凝土狀物。

現(xiàn)場施工時由于第①層素填土較軟弱，樁架無法站立，對其進行了換填，換填厚度自基底標高以下約1.0 m；設計樁長20 m，這也是當?shù)厥┕つ芰λ苓_到的極限深度；這些因素無疑會影響到成樁質(zhì)量現(xiàn)場樁頭測量直徑在430～460 mm之間，小于設計樁身直徑。

因此，該工程樁型選擇不合理，樁身因縮頸難以可靠向下傳力，施工工藝又難以形成擴大頭，從而無法提供足夠的抗力設計值。

3　樁基加固設計方案

由于工程樁基承載力值遠達不到設計要求，必須進行加固設計。

補樁方案中筏板面積664 m2，共布樁258棵，相當于平均樁間距為1.6 m。

無論是原沉管灌注樁還是預應力高強混凝土空心方樁，都屬于擠土樁，補樁過密會影響到已施工的沉管灌注樁。而且新增補樁1樁端位于第⑧層粉質(zhì)黏土層，標準貫入錘擊數(shù)及靜力觸探結果表明其工程性質(zhì)均明顯低于第⑦層粉土層和第⑨層的粉質(zhì)黏土層。

經(jīng)建設方的要求，擬對補樁方案進行進一步優(yōu)化。

為提高單樁承載力及減少樁數(shù)，將補樁樁長增加（稱補樁2），樁端位于第⑨層的粉質(zhì)粘土層，同時利用復合疏樁基礎的概念適當減少樁數(shù)。考慮到第⑨層已得到一定程度的加固，為避免壓入困難，樁長取19.5 m，略小于原沉管灌注樁的樁長，具體施工時應以設計樁端標高和壓樁力綜合控制。優(yōu)化布樁時新增方樁盡量均勻布樁，而且要確保剪力墻及柱附近一定有補樁存在，新增補樁79棵，樁位布置如圖2所示。

圖2　新增樁位布置圖/mm

4　加固設計的安全度評價

地基基礎加固設計方案即需要滿足承載力方面的要求，又要確保建筑物沉降滿足規(guī)范要求。

4.1樁基承載力安全度評價

常規(guī)樁基礎的設計是由樁基承擔全部的上部荷載，而復合疏樁基礎［11-12］、塑性樁［13］或減沉樁［14］的概念均是指當允許地基有一定沉降且不超過規(guī)范值時，采用較少的樁數(shù)達到減沉的目的［15-16］，樁和樁間土共同承擔上部荷載，基樁承載力可發(fā)揮到極限承載力的70%～90%。該工程加固方案原承臺梁已改為800 mm厚的筏板，為利用復合疏樁基礎概念進行補樁提供了充分的可能性。

4.1.1補樁2的承載力預估

首先給出同一場地相鄰住宅樓的試樁資料，在未進行試樁的前提下通過對比分析預估補樁2的承載力值。A座住宅樓與文中工程樁基質(zhì)量問題相似，已采用原加固方案用補樁1進行補樁且已完成靜載荷試驗；B座住宅樓與本工程采用同樣的沉管灌注樁，同樣是靜壓方式施工，因施工質(zhì)量較好靜載荷試驗合格；C座住宅樓為避免相似工程問題，已改用PHC預應力管樁，樁徑為500 mm，樁長為23 m相鄰住宅樓的試樁曲線如圖3所示。

由試樁結果可以看出:預制樁的樁身質(zhì)量好，試樁結果穩(wěn)定，總壓縮變形量小，回彈大，試樁極限承載力尚有潛力；而沉管灌注樁的樁身質(zhì)量存在缺陷試樁結果離散性大。

根據(jù)勘察報告提供的數(shù)據(jù)，各樓座基樁計算極限承載力值與試樁結果對比見表2。由對比結果分析得出，補樁2的承載力特征值將變化于600～800 kN之間，取補樁2的承載力特征值有足夠的保障。

圖3　相鄰樓座單樁靜載荷試驗曲線

表2　各樓座基樁計算承載力值與試樁結果對比表

4.1.2加固方案承載力安全度評價

（1）不考慮樁間土分擔

上部荷載標準值F為129000 kN

原沉管灌注樁提供的極限承載力值 Qu1為103200 kN

由新增補樁 2提供的極限承載力值 Qu2為94800 kN

假定樁間土不分擔上部荷載，則樁基承載力發(fā)揮系數(shù)為

即樁基承載力發(fā)揮極限承載力的65%，即可以承擔全部的上部荷載。

（2）考慮樁間土分擔

筏底土對上部荷載的分擔是客觀事實［17］［18］，即使是按常規(guī)樁基設計的樁筏基礎，只要筏板有沉降，筏底土就會對筏板產(chǎn)生反力作用，至于分擔比例是多少，則取決于樁土相對剛度、樁長、樁間距等諸多參數(shù)［19］。

根據(jù)文獻［19］提供的諸多實測結果，按土分擔上部10%的荷載計算，則樁基承載力發(fā)揮系數(shù)為

無論是否考慮樁間土對上部荷載的分擔作用，由于原沉管灌注樁與補樁2均采用保守取值，因此在承載力方面樁基有足夠的安全儲備。

4.2地基沉降預測

沉降計算分三種情況進行對比分析。

（1）當沉管灌注樁承載力特征值滿足 Ra= 1000 kN時，上部荷載完全由樁來承擔，按樁基沉降計算方法進行沉降計算。

（2）當沉管灌注樁承載力的特征值為 Ra= 400 kN時，上部荷載由樁土共同分擔，按沉降控制復合疏樁基礎計算沉降。

（3）工程補樁后，根據(jù)前述承載力分析，上部荷載可完全由樁來承擔，近似取=620 kN，按樁基沉降計算方法進行沉降計算。

4.2.1計算方法

利用Pile軟件對樁基進行沉降計算，為了更直觀地反映樁數(shù)對于沉降的影響，計算采用DGJ 08—11—2010《地基基礎設計規(guī)范》［20］方法。

（1）樁基沉降計算方法

采用Geddes基于Mindlin應力公式積分得出的單樁荷載在半無限彈性體中的應力解析式，按簡單疊加法原理計算群樁荷載在地基中產(chǎn)生的豎向附加應力，然后利用分層總和法計算樁端下土的壓縮變形量，計算式（1）為

式中:T為沉降計算點處壓縮層范圍內(nèi)自樁端平面往下的土層數(shù)；Es，t為樁端平面以下第t層土自重應力至自重應力加附加應力作用時的壓縮模量，MPa；ΔHt，i為樁端平面下第t層土第i個分層處土體的豎向附加應力，kPa；ψm為樁端平面下第t層土第i個分層的層厚，m；為樁基沉降經(jīng)驗系數(shù)，根據(jù)經(jīng)驗或規(guī)范取值。

（2）沉降控制復合疏樁基礎計算方法

作用于承臺底面處的荷載準永久組合值為P，承臺底面處地基土的自重應力為σc，單樁極限承載力標準值為Rk，基樁自重標準值為Gpk。沉降計算的原則為

當P-σcAc≥nRk時，沉降由兩部分組成，一部分是在樁頂附加荷載為Rk+Gpk的n根樁作用下產(chǎn)生的沉降，按樁基沉降計算方法計算；另一部分是在承臺底面附加荷載為P-σcAc-nRk作用下的沉降，按淺基礎沉降計算方法計算。

4.2.2計算結果與分析

相鄰B座和C座住宅樓均已封頂，沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)表明:盡管C座采用了預應力管樁，樁基承載力的安全儲備要高一些，但兩座樓的沉降基本一致，與樁基沉降計算原理相符合；監(jiān)測點最大沉降約15 mm。

該工程沉降計算時，根據(jù)上海地區(qū)的經(jīng)驗，土的模量取3倍的Es1-2，根據(jù)相鄰樓座的實測結果調(diào)整沉降經(jīng)驗系數(shù)取0.15，三種情況下沿D軸的沉降如圖4所示。

由圖4可見，當原方案樁基承載力滿足設計要求時，計算沉降值為13.7～17.8 mm，與已建相鄰住宅樓實測沉降非常接近。當原方案樁基承載力不滿足設計要求時，由于相當部分荷載由筏底土承擔，筏底土的變形對沉降計算“貢獻”較大，且軟件計算時單樁荷載疊加了自身有效重量，故計算沉降約60～85 mm，依據(jù)工程經(jīng)驗該值偏大。當采用擬定加固方案時，樁基承載力可滿足設計要求，由于增加了樁數(shù)，計算沉降值為10～14.1 mm，小于第一種情況下的沉降值。

圖4　三種情況下建筑物沉降曲線圖

預計加固方案的最終沉降量為15 mm以內(nèi)。

5　結論

通過上述研究可知:

（1）該樁基質(zhì)量問題原因為:當可塑～軟塑黏土存在時，選擇夯擴樁型不合理，現(xiàn)場施工技術難以達到設計要求。

（2）該加固設計進行樁基承載力補強的同時合理利用減沉疏樁基礎的概念優(yōu)化補樁方案，經(jīng)分析計算表明:不考慮樁間土的分擔作用，基樁發(fā)揮極限承載力的65%即可承擔上部荷載；當考慮樁間土承擔10%的上部荷載時，基樁發(fā)揮極限承載力的58.6%。

（3）利用相鄰工程實測數(shù)據(jù)進行沉降預測，加固后地基的預估最終沉降量在15 mm以內(nèi)。

（4）從承載力和沉降控制兩個方面考慮，加固后樁基工程有足夠的安全度。

［1］付江波，石群.沉管夯擴樁工程質(zhì)量事故分析與處理［J］.建筑技術，2006，37（3）:226-227.

［2］楊紅衛(wèi)，劉景德，吳揚仁，等.沉管灌注樁施工質(zhì)量分析及失敗后的補救措施［J］.建筑科學，2004，20（3）:46-49.

［3］肖賢.減沉復合疏樁基礎在軟土地基中的應用［J］.江蘇建筑2011（5）:82-83.

［4］王雷，王傳甲，郭玉君.沉降控制復合樁基性狀研究［J］.工業(yè)建筑，2011，41（S）:445-448.

［5］秋仁東，劉金礪，高文生，等.群樁基礎沉降計算中的若干問題［J］.巖土工程學報，2011，33（S2）:15-23.

［6］蔣剛，江寶，李雄威，等.樁筏基礎承載過程的安全度分析［J］.土木工程學報，2015，48（S2）:191-196.

［7］WBJ 8—97，夯擴樁設計施工技術規(guī)定［S］.武漢:湖北省建筑科學研究設計院，1997.

［8］沈保漢.我國夯擴樁的發(fā)展現(xiàn)狀［J］.工業(yè)建筑，2004，34（2）: 45-49.

［9］JGJ/T 135—2001，復合載體夯擴樁設計規(guī)程［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2001.

［10］JGJ 135—2007，載體樁設計規(guī)程［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2007.

［11］管自立.疏樁基礎設計實例分析與探計（一）［J］.建筑結構，1993（10）:26-31.

［12］管自立.疏樁基礎設計實例分析與探計（續(xù)）［J］.建筑結構，1993（11）:42-46.

［13］宰金珉.塑性支承樁—卸荷減沉樁的概念及其工程應用［J］.巖土工程學報，2001，23（3）:273-278.

［14］楊敏.基于變形控制設計原則的減小沉降樁基礎研究［J］.巖土工程學報，2000，22（4）:481-486.

［15］陳陽，喬仲發(fā).基于聯(lián)合求解法的疏樁地基沉降計算研究［J］.巖土力學，2012，33（5）:1491-1496.

［16］黃紹銘，岳建勇，黃昱挺.采用減沉路堤樁處理大面積堆載下軟土地基的設計與實踐［J］.巖土工程學報，2013，35（7）:122 -1238.

［17］楊軍，楊敏.筏土接觸對基礎承載性狀影響的數(shù)值分析研究［J］.地下空間與工程學報，2015，11（S1）:87-91.

［18］付利兵.樁筏基礎荷載分擔的分析與建議［J］.四川建筑科學研究，2011，37（5）:149-151.

［19］趙錫宏，龔劍.樁筏（箱）基礎的荷載分擔實測、計算值和機理分析［J］.巖土力學，2005，26（3）:337-341.

［20］DGJ 08—11—2010，地基基礎設計規(guī)范［S］.上海:上海現(xiàn)代建筑設計（集團）有限公司，2010.

（學科責編：吳芹）

Study on quality problems and reinforcement measures of pile foundation of a residential building at Yangguang District

Xiao Junhua1，2，Sun Jianping1，2
（1.School of Civil Engineering，Shandong Jianzhu University，Jinan 250101，China；2.Institute of Project Appraisal and Reinforcement of Shandong Jianzhu University，Jinan 250014，China）

The research on quality problem of cast-in-place pile by sinking tube is the basis of foundation reinforcement design，and optimized reinforcement design scheme can save the engineering cost.An 11-storied high-rise residential building located at Yangguang District is founded on cast-insitu pile by sinking tube.However，the testing result shows that pile capacity couldn't meet the design requirement.Aimed at such quality problem，some factors are studied such as geological conditions，bearing mechanism of the designed pile type and construction technology.To optimize the reinforcement design，the concept of composite foundation with settlement-reducing piles is introduced for adding pile；meanwhile pile foundation settlement is predicted with pile software.Analysis and calculation results show:（1）pile quality problems are caused by existence of plastic to soft-plastic clay at the pile length scope，unsuitable pile type and defectively constructing technique；（2）for optimized reinforcement design，neglecting the load-sharing between soil and pile，65%of ultimate bearing capacity of pile is enough to resist upper load while assuming soil taking 10%of total upper load，58.6%is enough；（3）the final settlement is predicted in 15mm；（4）from two aspects of bearing capacity and settlement control，the pile foundation engineering has margin of security.

quality problem；reinforcement design；cast-in-situ pile by sinking tube；pile capacity；composite foundation with settlement-reducing piles

TU473.X

A

1673-7644（2015）06-0537-07

2015-11-05

長江學者和創(chuàng)新團隊發(fā)展計劃資助項目（IRT13075）

肖俊華（1969-），女，副教授，博士，主要從事樁土共同作用及地基基礎加固等方面的研究.E-mail:13606412056@163.com